Evènement rare, un incendie au sein ou à l’extérieur d’un avion peut avoir des conséquences catastrophiques pour l’intégrité de l’appareil et de ses occupants. Les aéronefs sont donc dimensionnés pour répondre aux nombreuses exigences définies par les Autorités de certification. Le respect de ces exigences doit être démontré au travers d’essais de certification sur des échantillons de dimensions réduites avec des bruleurs standardisés. Dans une démarche de virtualisation d’essais, le développement d’outils prédictifs du comportement thermophysiques des structures composites soumises à un feu est un objectif ambitieux et très prometteur. Face à la complexité des nombreux phénomènes physiques mis en jeux (thermo-dégradation, dégazage, inflammation de gaz de pyrolyse, érosion, etc.), une méthodologie de modélisation incrémentale a été suivie partant de modèles simples pour aboutir au développement d’un modèle 3D du comportement thermochimique du composite T700/M21 soumis au feu. Ce modèle est basé sur une étude phénoménologique du comportement du composite grâce au développement d’un test au feu innovant et maitrisé. En outre, toutes les données d’entrée sont issues de mesure expérimentale de propriétés thermophysiques en utilisant des méthodes de caractérisation existantes et innovantes. In fine, la comparaison des profils de température et de la perte de masse mesurés du composite avec les résultats numériques montre la capacité du modèle à prédire ce comportement au feu. / Rare event, an aircraft in fire can lead to disastrous consequences for the integrity of the plane and its passengers. The aircraft are thus dimensioned in order to comply with the large number of requirements defined by the certification Authorities. The respect of these standards has to be demonstrated via certification tests on structure panels of reduced size using standardized burners. In a virtual testing approach, the development of predictive tools of the thermomechanical behaviour of the composite exposed to fire is an ambitious objective and very promising. With regards to the complexity of the many physical phenomena involved in the combustion process (thermodegradation, out-gassing, ignition of gases, erosion, etc.), an incremental modelling methodology has been followed starting with basic model to finally succeed to develop a 3D model of the thermochemical behaviour of the T700/M21 composite exposed to fire. This model is based on a phenomenological study of the behaviour of the composite using a novel versatile fire test which was developed in a totally controlled way. In addition, all inputs are obtained from measurements of thermophysical properties using existing and innovative characterisation methods. In fine, the comparison of the measured temperature profiles and the mass loss of the composite with the numerical results show the capability of the model to predict the fire behaviour of the material.

Cette étude présente deux objectifs : industriellement elle contribue à la certification d’unaéronef léger de quatre places (MCR 4S) suivant la norme CS 23 régie par l’EASA(European Aviation Safety Agency) et scientifiquement, elle cherche à mieux appréhenderle lien entre la variabilité des matériaux et du comportement des structures. L’étude devariabilité montre une grande dispersion des caractéristiques mécaniques telle qu’il nousest impossible d’optimiser le coefficient de sécurité. A partir de ce constat, une étude plusapprofondie est effectuée et a permis de déterminer les origines de la variabilité à savoir, lanon homogénéité de l’épaisseur et donc de la teneur volumique de fibre dus au processusde fabrication utilisé (moulage au contact).A partir d’une instrumentation par jauges de déformation sur des zones ciblées de lavoilure d’un aéronef prototype, un essai en vol est effectué dans le but d’extraire un spectred’utilisation en cours de service et ce dans les différentes configurations de vol (roulage,décollage, montée, vol en palier, descente, virage et atterrissage). Ce spectre est utilisé parla suite dans un essai de fatigue sur l’aile afin de comprendre les mécanismesd’endommagement dans ce cas de figure. Conjointement, un modèle numérique de lavoilure validé par des essais statiques sur la voilure a permis de mieux comprendre lecomportement de la voilure grâce à une cartographie détaillée des contraintes. / This study has two objectives: industrially it contributes to the certification of a four-seaterlight aircraft (MCR 4S) following the CS 23 standard governed by EASA (EuropeanAviation Safety Agency) and scientifically, it searches to better understand the linkbetween the variability of materials and structural behavior. The study of variability showsa wide dispersion of mechanical characteristics such that is impossible to optimize thesafety factor. From this, further study is conducted and identified the origins of variabilityi.e., non homogeneity of the thickness and therefore the fiber volume content due to themanufacturing process used (contact molding).From instrumentation by strain gages on targeted areas of the wing, a flight test isperformed in order to extract a spectrum of use in service on different configurations flight(taxiing, takeoff, climb, level flight, descent, turn and landing). This spectrum issubsequently used in a fatigue test on the wing in order to understand the damagemechanisms in this case. Together, a numerical model of the wing validated by static testson the wing helped to better understand the behavior of the wing through a detailed stressdistribution.

Cette thèse s'inscrit dans le cadre d'un vaste programme visant à établir un premier retour d'expérience sur des structures aéronautiques en fin de vie. L'objectif des travaux présentés ici est donc de caractériser le vieillissement et les propriétés résiduelles de pièces provenant d'avions après démantèlement, et donc après service. Plus précisément, deux matériaux de nature différente sont considérés : un alliage d'aluminium 2024-T351, constitutif d'une voilure d'A320 ; et un composite carbone/époxy T300/914, prélevé sur les voilures d'un Falcon X et d'un ATR.Pour les voilures composites, les travaux ont porté sur les effets de l'eau des stratifiés. L'évolution de la température de transition vitreuse en DMA a été étudiée en fonction du taux d'humidité présente dans le stratifié. Les résultats d'essais de sorption set de désorption ont été confrontés à différents modèles de diffusion. Les propriétés résiduelles ont été évaluée au travers de divers essais mécaniques. Il ressort de cette étude un très bon comportement du composite après service.Les travaux concernant la voilure métallique se focalisent sur les propriétés résiduelles en fatigue de l'alliage de voilure. Les résultats montrent qu'un durcissement structural apparaît en service, et qu'un léger abattement de la durée de vie en fatigue est observable. Cependant, le comportement à la fissuration est inchangé en comparaison avec un matériau " neuf ".Au final, ce premier retour d'expérience est positif. Il peut maintenant permettre aux avionneurs de vérifier les règles utilisées lors de la conception ou d'optimiser certains dimensionnements, mais aussi de justifier des extensions de durée de vie des avions.

Ce travail prend naissance dans un vaste programme européen d’allègement des structures aéronautiques, mis en application par un projet de recherche (PRC-Composites) et donnant suite à des développements de procédés et matériaux nouveaux. Cette thèse s’inscrit donc dans ce projet global et vise à mettre en évidence, analyser, comprendre puis modéliser les mécanismes d’absorption d’eau dans un composite à matrice organique (carbone/époxy) tissé 2D mis en oeuvre par RTM et à évaluer l’influence de l’humidité sur son comportement mécanique.Une méthodologique consistant à étudier l’effet du vieillissement sur les composants du matériau : résine pure, interface/interphase résine/toron, composite a été développée.Pour la résine pure (RTM6), un couplage complexe entre absorption d’eau et thermo-oxydation de la matrice à 70°C a été démontré, découplé, puis quantifié expérimentalement en s’appuyant sur un modèle numérique diffuso-mécanique couplé. Une étude basée sur l’emploi d’éprouvettes modèles « mono-toron », conçues à cet effet, a montré que – à l’échelle microscopique – la présence d’interfaces/interphases résine/toron n’a pas d’impact significatif sur la cinétique de diffusion dans la matrice. Le comportement du composite (RTM6/AS7) en milieu humide/oxydant a été exploré en s’appuyant sur les notions établies sur les composants. La diffusion d’eau a été modélisée à travers une représentation explicite de la microstructure et en incluant le modèle établi sur la résine pure. Le comportement du composite vieilli a été évalué via des essais de traction uni-axiale dans les 3 directions du plan (0°, 90° et 45°). Ces essais montrent l’intérêt d’une pré-étude sur les constituants. / The initiative of this work is based on weight saving European program of aeronautic structures. It takes part of PRC-Composites project and aim to develop processes and new materials. This thesis belong with this whole project and wants to highlight, to analyze, to understand, then to modelize water absorption phenomena in an organic composite (carbon/epoxy) 2D woven, manufactured by RTM process. The final objective is to evaluate the effect of moisture on the mechanical behavior.The method consists in studying the effect of water ageing on components: neat resin, interface/interphase resin/tow, and composite.For the neat resin (RTM6), a complicated coupling between water sorption and thermo-oxidation of the matrix at 70°C has been demonstrated, uncoupled and then experimentally quantified using a coupled diffuso-mechanical model. A study based on the use of “mono-tow” samples, specially manufactured for this work, has shown – on the microscopic scale – the presence of interface/interphase resin/tow has no significant effect on the diffusion kinetic through the matrix. In moist/oxidant environment, the composite behavior (RTM6/AS7) has been explored relaying on established ideas related to components. Water diffusion has been modelized through an explicit representation of the microstructure and by including neat resin established model. The aged composite behavior has been evaluated with uni-axial tensile tests in 3 directions (0°, 90° and 45°). These experiments show the interest of the component pre-study.

Cette thèse s’inscrit dans le cadre d’un vaste programme visant à établir un premier retour d’expérience sur des structures aéronautiques en fin de vie. L’objectif des travaux présentés ici est donc de caractériser le vieillissement et les propriétés résiduelles de pièces provenant d’avions après démantèlement, et donc après service. Plus précisément, deux matériaux de nature différente sont considérés : un alliage d’aluminium 2024-T351, constitutif d’une voilure d’A320 ; et un composite carbone/époxy T300/914, prélevé sur les voilures d’un Falcon X et d’un ATR.Pour les voilures composites, les travaux ont porté sur les effets de l’eau des stratifiés. L’évolution de la température de transition vitreuse en DMA a été étudiée en fonction du taux d’humidité présente dans le stratifié. Les résultats d’essais de sorption set de désorption ont été confrontés à différents modèles de diffusion. Les propriétés résiduelles ont été évaluée au travers de divers essais mécaniques. Il ressort de cette étude un très bon comportement du composite après service.Les travaux concernant la voilure métallique se focalisent sur les propriétés résiduelles en fatigue de l’alliage de voilure. Les résultats montrent qu’un durcissement structural apparaît en service, et qu’un léger abattement de la durée de vie en fatigue est observable. Cependant, le comportement à la fissuration est inchangé en comparaison avec un matériau « neuf ».Au final, ce premier retour d’expérience est positif. Il peut maintenant permettre aux avionneurs de vérifier les règles utilisées lors de la conception ou d’optimiser certains dimensionnements, mais aussi de justifier des extensions de durée de vie des avions. / The thesis is part of a larger program aimed at establishing a first feedback on structural health of aeronautical structures at the end of life. The aim of the work presented here is to characterize the residual properties after aging of parts from aircraft after teardown, and therefore after service. Specifically, two different types of materials are considered: an aluminum alloy 2024 T351, constituting the underside of an A320 wing, and a composite carbon/epoxy T300/914, taken from the wing of a Falcon X and the wing of an ATR.Concerning the composite wings, the study focused on the effects of water on laminated composites. The evolution of the glass transition temperature by DMA has been studied as function of moisture present in the composite. The results of sorption and desorption tests were confronted to different diffusion models. Residual properties were evaluated through various mechanical tests. It is clear from this study a very good behavior of the composite after service.The work on the metal wing is focused on the residual fatigue properties of these alloys. The results show that hardening occurs in service, and a slight reduction of the fatigue life is observed, the number of cycles to failure ranging between 104 and 106. However, the fatigue crack growth resistance is unchanged in comparison with a “virgin” material.Finally, this initial feedback is positive: It can now enable manufacturers to check the design rules or to optimize the design, but also to justify aircraft life extensions.

La certification des aéronefs au crash ou à l’atterrissage dur nécessite de concevoir et dimensionner des structureslégères vérifiant les exigences d’absorption d’énergie. Le critère de performance est l’énergie d’absorptionspécifique (Specific Energy Absorption, SEA). Nos travaux expérimentaux et numériques visent une meilleurecompréhension de la contribution favorable ou défavorable des modes de ruine à la stabilité et à l’amplitude del’énergie consommée. Le travail expérimental, réalisé sur des échantillons plaques stratifiées en T700/M21 faible grammage et interlock 55% ou 100%, compare les niveaux et les évolutions des forces d’écrasement avec l’apparition et le maintien desmodes de ruine majeurs que sont l’évasement, les fragmentations en coeur de plis et localisée en bout de pli.L’observation et la mesure des processus dynamiques de fragmentation représentent un verrou contourné ici parune analyse point à point de la synchronisation entre les films des essais et les courbes force-déplacement, et parl’observation post-mortem des échantillons, des débris et des fragments. Les plaques ont une performance àl’écrasement sensible à l’épaisseur des plis et aux vitesses de déformation. Pour les interlocks, c’est le sens detissage qui a le plus d’effet sur l’amplitude et la stabilité de la SEA, et génère un évasement global plus instable.La simulation numérique dynamique transitoire non-linéaire est utilisée comme outil complémentaire de mesureet d’analyse des essais sur plaques T700/M21 [0°/90°]. La morphologie d’écrasement est bien reproduite.L’analyse des processus de ruine à l’échelle du pli fait apparaître l’interaction entre la résistance mécanique encompression transverse du matériau (Yc) et la résistance à la déchirure en cisaillement de la structure (GIIc), etl’articulation et/ou la compétition entre évasement et fragmentation en cœur de pli qui en découlent. La mesurede la contribution des trois modes de ruine dans l’énergie consommée effectuée au travers de l’évolution desseuils de ruine permet de suivre l’évolution correspondante de l’effort d’écrasement. Une étude a été menée surla robustesse du modèle, et permet d’évaluer plus généralement la sensibilité en amplitude et en stabilité de laSEA aux propriétés de résistance mécanique identifiées comme influentes. / The certification of aircrafts to hard landing or crash situations needs to design lightweight structures meetingrequirements in term of energy absorption. The Specific Energy Absorption (SEA) is used to compare theperformance of different structures. Experimental and numerical studies led in our work aim to improve theunderstanding of the influence of ruin modes on the crushing stability and the energy absorption capacity.Crushing experimental tests are carried on low-weight T700/M21 CFRP laminated plates and on 55% or 100%Interlock configurations. The crushing force value and its variations are compared to the proportion of inside plyfragmentation, localized fragmentation and splaying mode observed during the crushing process. The observationand the measure of the dynamic process of fragmentation are lock problems circumvented by two means. First, astep by step observation of synchronized tests’ pictures and force-displacement points is conducted. Second, apost-mortem observation of the specimen and a collect of debris and fragments is carried out. It is shown thatcomposite laminates behaviour is influenced by the ply thickness and the strain-rate parameters. For the Interlock,the woven directions have the most important effect on the SEA value and stability and can produce a globalfragmented splaying with some instability. Nonlinear transient dynamic numerical simulations are used as an additional tool to measure and analyse the experimental tests on T700/M21 [0°/90°] plates. The crushing morphology is correctly reproduced. The analysis of damage at the mesoscale shows the interaction between the mechanical transverse compressive strength of thematerial (Yc) and the shear strength of interfaces between plies (GIIc), and the link and/or the competition betweensplaying and inside ply fragmentation. The measure of the contribution of the three ruin modes in the dissipatedenergy is performed and linked to the variations of the crushing force. A study is carried out on the robustness ofthe model and allows linking the SEA value and stability to the mechanical strength properties identified asinfluential parameters.

Les matériaux composites sont utilisés dans de nombreuses structures marines et de nouvelles applications sont en cours de développement telles que les pales d’hydroliennes. La fiabilité de ces composants dans un environnement très sévère est cruciale pour la rentabilité de ces systèmes récupérateurs d’énergie des courants marins. Ces structures sont sujettes à de nombreuses forces, telles que les courants marins, les vagues, tempêtes mais également diverses agressions marines telles que l’eau de mer et la corrosion. Une compréhension approfondie du comportement au long terme de ces parties mobiles est donc essentielle. La majorité des développeurs d’hydroliennes ont préféré des pales en carbone. Ainsi il est nécessaire de comprendre comment une longue immersion dans l’océan affecte ces composites. Dans cette étude, le comportement au long terme de différents composites carbone/époxy a été étudié en utilisant des essais de vieillissement accéléré. Une diminution significative des résistances des composites a été observée après saturation en eau de mer. Pour des temps d’immersion plus longs, seulement peu de changements des propriétés apparaissent. Peu d’effets significatifs ont été observés tant sur les modules que sur la ténacité. Ces changements de propriétés sont initialement dus à la plastification de la matrice, suivis par un affaiblissement de l’interface fibre/matrice. L’endommagement peut affecter le comportement au long terme des structures composites et créer de nouveaux chemins préférentiels pour la diffusion de l’eau. En conséquence un modèle basé sur un critère couplé résistance/ténacité a été proposé pour décrire le seuil d’endommagement et basé sur un critère en ténacité pour décrire la cinétique d’endommagement. Il permet de reproduire d’une manière correcte le seuil et la cinétique d’endommagement pour des matériaux vieillis et non vieillis. L’évolution de l’entrée d’eau dans les composites a été suivie dans le but de développer un modèle de diffusion prenant en compte le nature anisotrope des composites. Ainsi le modèle de diffusion a été utilisé sur pale d’hydrolienne. Finalement des premières investigations sur le couplage entre le modèle de diffusion et l’endommagement ont été réalisées. Cette étude a contribué au développement d’outils pour quantifier la durabilité au long terme des pales d’hydroliennes en composites. / Composite materials are used in many marine structures and new applications are being developed such as tidal turbine blades. The reliability of these components, in a very severe environment, is crucial to the profitability of tidal current energy systems. These structures are subject to many forces such as ocean tides, waves, storms but also to various marine aggressions, such as sea water and corrosion. A thorough understanding of the long term behavior of the moving parts is therefore essential. The majority of tidal turbine developers have preferred carbon blades, so there is a need to understand how long immersion in the ocean affects these composites. In this study the long term behavior of different carbon/epoxy composites has been studied using accelerated ageing tests. A significant reduction of composite strengths has been observed after saturation of the material in seawater. For longer immersions only small further changes in these properties occur. No significant changes have been observed for moduli nor for composite toughness. Changes in properties are initially due to matrix plasticization, followed by reductions due to fibre/matrix interface changes. Damage can affect the long term behavior of composites structures and create new pathways for water diffusion. As a consequence a damage model has been proposed based on a coupled strength/toughness criterion to describe the threshold of damage and on a toughness criterion to describe the crack development kinetics. It describes in a correct manner the damage threshold and kinetics for the as-received material and for material after sea water ageing. The evolution of the rate of water ingress into composite materials has been followed, in order to develop a diffusion model taking into account the anisotropic nature of composites. Then the diffusion model has been applied on a tidal turbine blade. Finally a first investigation of the coupling between the diffusion model and damage has been performed. This study has contributed to the development of tools to quantify long term durability of composite tidal turbine blades.

Cette thèse s'est déroulée dans le cadre du projet TOLEDO (Tolérance aux dommages par impact des réservoirs hyperbares) piloté par Air Liquide en partenariat avec le CEA Le Ripault et l'institut PPRIME.L'hydrogène est stocké au sein de réservoirs de type IV à une pression de service de 700 bar.Ces structures composites présentent comme particularités d'être épaisses (> 30 mm), d'avoir une forte courbure et d'être préchargées en pression lors d'un éventuel impact.Notre travail a montré que ces particularités modifient le type, la quantité et la localisation des différents endommagements couramment observés (rupture de fibres, délaminage et fissuration matricielle).Les endommagements ont pu être quantifiés par le biais de méthodes simples et originales.L'influence des particularités sur le comportement à l'impact a pu être déterminée par l'utilisation de deux dispositifs expérimentaux conçus et réalisés au cours de cette thèse.Le premier permet de précontraindre en tension uniaxiale des plaques composites épaisses.Le second permet de précharger en état de membrane un tube composite ce qui a permis de montrer que le cas d'impact le plus critique vis-à-vis des réservoirs est lorsque ces derniers sont vides.Cette étude a permis de mettre en évidence la criticité des ruptures de fibres sur les pertes de performance au sein des réservoirs hyperbares.Un modèle numérique prenant en compte la dispersion des contraintes à rupture et des différents types d'endommagements a été développé.Il permet d'introduire un endommagement initial et a confirmé certains résultats expérimentaux. / This thesis took place within the framework of the project TOLEDO (Tolerance in the damage by impact of the hyperbaric reservoirs) managed by Air Liquide in partnership with the CEA Le Ripault and PPRIME institute.The hydrogen is stored within the type IV vessel at a servive pressure of 700 bar.These composite structures present as peculiarities to be thick (> 30 mm), to have a strong curvature and to be precharged in pressure during a possible impact.Our work showed that these peculiarities modify the type, the quantity and the localization of the various usually observed damages (fiber breakage, délamination and matrix cracking).The damages were able to be quantified by means of simple and original methods.The influence of the peculiarities on the behavior in the impact was able to be determined by the use of two experimental devices designed and realized during this thesis.The first one allows to preload a thick composite plates in uniaxial tension thick composite plates.The second allows to preload in state of membrane a composite pipe and allowed to show that the most critical impact towards reservoirs is when they are empty.This study allowed to highlight the criticality of the fiber breakage on the loss of performance within the hyperbaric reservoirs.A digital model taking into account the dispersal of the failure stress and various types of damages was developed.It also allows to introduce an initial damage and confirm some experimental results.

A l'heure actuelle le stockage de l'hydrogène sous forme gazeuse, comprimée à haute pression, apparaît comme la solution le plus mature présentant le meilleur compromis en termes de masse, de pression de service mais aussi de volume des réservoirs. Cependant pour un développement plus large et sécurisé, l'amélioration des performances et la réduction des coûts des réservoirs restent des enjeux prioritaires. C'est dans ce contexte que nous avons étudié le stockage de l'hydrogène dans des réservoirs de type IV, en composites fibres de carbone/époxy. Ce travail a eu pour objectif d'accroitre la fiabilité du dimensionnement. Dans un premier temps, une étude expérimentale de caractérisation des matériaux constitutifs du réservoir a été réalisée. Pour améliorer la fiabilité des calculs, un modèle probabiliste a été proposé pour décrire le comportement de la partie composite du réservoir, principalement la rupture des fibres. Des calculs multiéchelles ont été mis en place basés sur les propriétés mécaniques et physiques des fibres. Les autres modes de dégradations, décollement entre plis, liaison embase-liner ont aussi été pris en compte dans les calculs de comportement du réservoir jusqu'à son éclatement. Enfin des recommandations de dimensionnement du réservoir ont été proposées afin d'améliorer les performances tout en minimisant la masse de composite dans un objectif de réduction des coûts. / Presently, the compressed hydrogen storage under high pressure appears to be the most sophisticated solution regarding to a compromise of mass, service pressure and also volume of pressure vessels. However, the challenges of pressure vessels nowadays are their performance improvement as well as their cost reduction. In this context, we studied the type IV hydrogen storage pressure vessel in carbon fibre/epoxy composites. This work aims to obtain a reliable pressure vessel design. Firstly, an experimental study of associated materials and pressure vessel characterisation has been carried out. Then, we proposed a probabilistic model for a composite which is dedicated in particular to fibre breakage using multi-scale simulations in accordance with its mechanical and physical properties. Once this model joined with damage criteria dedicated separately to the others damage mechanisms are integrated into the pressure vessel simulations. Finally, recommendations on composite pressure vessels have been proposed in order to improve their performances and to decrease the mass of composite directly corresponding to the reduction of composite pressure vessels cost.

Les ondes de choc induites par laser peuvent produire une sollicitation dynamique capable de tester l'adhérence d'interfaces et de détecter les joints faibles. Cette étude vise à étendre ce procédé aux composites stratifiés et à leurs assemblages, qui touchent un large spectre d'applications industrielles, notamment dans le secteur aéronautique et de la défense. Les problématiques scientifiques et techniques liées à l'essai sont étudiées, particulièrement la caractérisation du comportement des stratifiés et de leur endommagement sous choc ainsi que la tenue des interfaces. Les expériences sont conduites sur des installations laser délivrant une large gamme d'impulsion (fs-μs) permettant de localiser les contraintes maximales de traction aux interfaces. Les essais sont instrumentés avec des diagnostics résolus en temps : vélocimétrie Doppler, visualisation transverse. Les échantillons sont analysés avec différentes techniques (MEB, tomographie, ultrasons, DSC...) pour identifier les endommagements et les relier aux propriétés des matériaux. L'analyse des résultats s'appuie sur la simulation numérique pour décrire le comportement des matériaux. L'étude montre la capacité de la technique à différencier la force des assemblages.